受力角度對硅酮結構密封膠剪切性能的影響

周平，蔣金博，張冠琦

(廣州市白云化工實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510540)

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟水平的提高，現(xiàn)代建筑的快速發(fā)展，設計理念和設計方法的持續(xù)革新，施工技術的不斷進步，玻璃幕墻逐漸由“單一化、規(guī)整化”轉向“多元化、復雜化”[1-2]。傾斜、曲面、雙曲面、扭曲等新型玻璃幕墻因其能滿足建筑獨特造型的需求、給人們帶來良好的視覺體驗而受到設計師的青睞[3-4]。與此同時，不斷涌現(xiàn)的造型獨特、復雜多變的玻璃幕墻建筑，也給幕墻的發(fā)展帶來新的技術要求和挑戰(zhàn)，對于與建筑幕墻相關的設計、生產(chǎn)、安裝施工等方面均提出了更高的要求；與此同時，對于相關的材料、配套產(chǎn)品的質量也提出了更高的要求[5]。

以結構密封膠為例，在隱框玻璃或半隱框玻璃幕墻中，玻璃面板主要通過硅酮結構密封膠與鋁合金副框粘結在一起。所謂的結構密封膠，是用于建筑結構中，能夠傳遞結構構件間的靜態(tài)荷載或動態(tài)荷載的密封膠[9]。在實際的應用過程中，結構密封膠除了需要長期承受紫外線、濕氣、熱、臭氧等的氣候老化，還需要長期承受風荷載、重力荷載以及溫差變形引起的內應力等力的作用。硅酮結構密封膠對于幕墻發(fā)揮防水、密封性能起著至關重要的作用，一旦結構密封膠質量出現(xiàn)問題，不僅會影響幕墻結構的粘結性能，而且會導致幕墻脫落等安全事故發(fā)生[10]。

傳統(tǒng)玻璃幕墻設計中多為平面形式與線型構造設計，玻璃面板也以平板結構居多。根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》（JGJ 102-2003）中5.6.6 中的規(guī)定：隱框或橫向半隱框玻璃幕墻，每塊玻璃的下端宜設置兩個鋁合金或不銹鋼托條，托條應能承受該分格玻璃的重力荷載作用[11]。因此，在傳統(tǒng)玻璃幕墻設計一般主要考慮結構密封膠所承受的水平風荷載和水平地震作用荷載；對于結構密封膠，現(xiàn)行的國家標準《建筑用硅酮結構密封膠》（GB 16776-2005）也主要關注其拉伸強度[12]。這一點，在傳統(tǒng)的玻璃幕墻設計中是基本適用的。在一項針對國內部分代表性城市服役20 年左右的幕墻工程粘結及密封材料狀況調查的結果表明：質量好的硅酮結構密封膠在實際工程中使用20 年甚至超過20 年仍然能保持良好的性能[13]。

但在傾斜、曲面、雙曲面、扭曲等新型玻璃幕墻中，結構密封膠和中空玻璃結構密封膠的受力情況與傳統(tǒng)幕墻中的情況并不完全一致，需要考慮的因素大大增加[14]。結構密封膠除了受到水平方向的拉伸應力，還可能會受到剪切應力。另外，對于一些轉角位置或者一些角度特殊的位置，可能也會對于結構密封膠的抗剪切性能提出要求。除此之外，在具體安裝和使用過程中，有可能會由于安裝的誤差和材料的老化變形，導致原本是受拉伸應力的位置出現(xiàn)部分受剪切應力的情況。

2015 年出臺的行業(yè)標準《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》（JG/T 475-2015）中，在考察結構密封膠拉伸強度的基礎上，增加了對于結構密封膠剪切強度的要求[15]。在實際的應用過程中，結構密封膠所受的剪切應力，與受力角度存在一定的關系。而實際的受力角度可能會隨著設計和實際情況的不同而改變。不同的受力角度，不僅會影響結構密封膠的受力狀況，同時也會影響結構密封膠的耐久性能，進而影響到幕墻的使用壽命和整體安全性。因此，有必要對于受力角度對硅酮結構密封膠剪切性能的影響進行研究。

目前對于不同受力角度下結構密封膠的剪切性能，尚未見相關的研究。本文將針對這一課題，設計試驗方案，研究了受力角度對結構密封膠剪切性能的影響。

1 實驗

1.1 試驗材料

單組分硅酮結構密封膠，市售，符合國家標準《建筑用硅酮結構密封膠》GB 16776 和行業(yè)標準《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》JG/T 475 的性能要求。

基材：陽極氧化鋁片，尺寸 50mm× 50mm × 3mm，市售。

1.2 儀器設備

拉力機：微機控制電子萬能試驗機（深圳市新三思材料檢測有限公司），型號DXLL-3000。

不同角度剪切測試夾具：7 個角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。其中0°角為按照行業(yè)標準《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試夾具；90°角為按照國家標準《建筑用硅酮結構密封膠》GB 16776 規(guī)定的拉伸強度測試夾具，如圖1 所示。

圖1 0°角剪切性能測試和90°角剪切性能測試（即拉伸性能測試）示意圖

其余各個角度的夾具為采用鋼材按照設計的尺寸焊接制成。具體而言，夾具的角度是指對應夾具受力方向與結構密封膠原受剪切應力方向之間的夾角。以30°角為例，夾具受力的方向相對于結構密封膠原受剪切應力的方向，偏移了30°。30°角夾具的具體尺寸及夾具正視圖和夾具配合圖如圖2 所示。

圖2 30°角夾具正視圖和夾具配合圖

1.3 試樣的制備與養(yǎng)護

制樣：將鋁片按照行業(yè)標準《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》（JG/T 475-2015）的要求進行清洗處理，將1.1 中的結構密封膠按照標準要求完成制樣。每組制取3 個H 型試件，結構密封膠尺寸為12mm×12mm×50mm?？紤]到夾具的穩(wěn)定性和測試的安全性，H 型試件兩面的粘結基材均選用陽極氧化鋁片。

養(yǎng)護時間：28d。

養(yǎng)護條件：標準條件即溫度為（23±2）℃、相對濕度（50±5）%RH。

1.4 性能測試與表征

取上述制取的試件，將試件安裝于前述對應夾具中間。將電子萬能材料試驗機的拉伸變化速率設為5.5mm/min，進行剪切試驗。其中，0°角剪切強度值為按照行業(yè)標準JG/T 475規(guī)定的剪切強度測試方法進行測試；90°角剪切強度值為按照國家標準GB 16776 規(guī)定的拉伸測定方法進行測試；其余各角度則是采用對應夾具按照行業(yè)標準《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》（JG/T 475-2015）規(guī)定的剪切強度測試方法進行測試。需要注意：每組試件應采用對應的夾具進行試驗，測試完一組試件應更換夾具。

測試結束后，取每組試樣拉伸剪切強度平均值、斷裂伸長率平均值和不同伸長率下模量平均值作為結果。

2 結果與討論

2.1 受力角度對于剪切強度和斷裂伸長率的影響

不同受力角度下剪切強度和斷裂伸長率的測試結果如圖3所示，圖中的0°角剪切強度值為按照行業(yè)標準JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進行測試的結果，90°角剪切強度值為按照國家標準GB 16776 規(guī)定的拉伸強度測試方法進行測試的結果，其余各個角度（15°、30°、45°、60°、75°）為采用對應夾具按照行業(yè)標準JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進行測試的結果。

圖3 不同受力角度下剪切強度和斷裂伸長率的變化情況

從圖3 可見，對于本次測試的結構密封膠樣品，不同的受力角度與結構密封膠剪切強度、斷裂伸長率的關系并非簡單的線性關系。具體而言，剪切強度從0°角開始，隨著角度的增大而變大，在45°角達到最大值1.64MPa；隨后開始緩慢降低，至75°角時重新開始變大；90°角時剪切強度值（即拉伸強度值）大于0°角剪切強度值。最大強度伸長率從0°角開始，隨著角度的變大而變小，在45°角達到最小值385%；隨后又逐漸增大，90°角時斷裂伸長率大于0°角時斷裂伸長率。

總體上而言，結構密封膠在0°角時的剪切強度和斷裂伸長率的數(shù)值均低于90°角時的數(shù)值；而在45°角時的剪切強度最大，但斷裂伸長率最小。由此可見：同樣的結構密封膠，在受力角度不同時表現(xiàn)出的性能也有相當大的差異。

在實際的應用中，一般玻璃幕墻內傾或外斜與豎直方向的夾角為0°～20°[3-5]，此時結構密封膠在玻璃板塊自重的影響下很可能受到剪切應力的影響。從上述試驗結果可知，本次測試樣品的剪切強度數(shù)值低于拉伸強度。實際上，不同的結構密封膠的剪切強度與拉伸強度極有可能存在差異。而目前設計取值多數(shù)是基于結構密封膠的拉伸強度，現(xiàn)行的國家標準《建筑用硅酮結構密封膠》（GB 16776-2005）中對剪切強度也沒有相關的要求，這導致在實際的結構密封膠應用中，可能忽視對結構密封膠剪切強度的要求。

因此，設計師在進行幕墻設計時，如果采用剪切強度作為設計的關鍵取值，在選用滿足現(xiàn)行國家標準（GB 16776-2005）的密封膠時，如結構密封膠沒有提供剪切強度測試值，推薦選用拉伸強度和斷裂伸長率較高的產(chǎn)品。如有必要，可以結合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進行指定角度的剪切性能測試，為結構密封膠的設計、應用提供參考。

在選用滿足現(xiàn)行的行業(yè)標準JG/T 475-2015 的結構密封膠時，推薦選用拉伸強度、剪切強度及斷裂伸長率較高的產(chǎn)品。行業(yè)標準JG/T 475-2015 中對結構密封膠的剪切強度，與拉伸強度一樣，提出了要求（23℃剪切強度標準值≥0.5MPa），同時還對結構密封膠在80℃、-20℃條件下的剪切強度保持率（≥75%）和所有剪切性能項目的粘接破壞面積（≤10%）做出了明確的要求。如有必要，也可以結合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進行指定角度的剪切性能測試，為結構密封膠的設計、應用提供參考。

2.2 受力角度對于不同伸長率下模量的影響

不同受力角度下在100%伸長率以內剪切模量的變化情況如圖4 所示。其中，0°角測試結果為結構密封膠按照行業(yè)標準JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進行測試的剪切模量，90°角測試結果為結構密封膠按照國家標準GB 16776 規(guī)定的拉伸強度測試方法進行測試的拉伸模量，其余各個角度（15°、30°、45°、60°、75°）為采用對應夾具按照行業(yè)標準JG/T 475 中規(guī)定的剪切強度測試方法進行測試的結果。

圖4 不同受力角度下剪切模量隨伸長率的變化情況

由圖4 可以看出，在100%伸長率以內，隨著受力角度的增大，同一伸長率下的模量數(shù)值大體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，即在結構密封膠所受應力從剪切應力轉變?yōu)槔鞈Φ倪^程中，其同一伸長率下的應力是逐漸提高的。以伸長率20%為例，當受力角度為0°時，對應的應力為0.07MPa；而當受力角度為90°（即拉伸應力）時，對應的應力則達到0.3MPa。即相比于拉伸應力，只需要更小的剪切應力，就可以讓結構密封膠產(chǎn)生同樣百分比的形變。

另一方面，同樣大小的應力作用在不同受力角度下的結構密封膠，由此產(chǎn)生的形變是不同的。總體上而言，隨著剪切受力角度的變大，同樣應力作用下產(chǎn)生的形變大體上呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，即結構密封膠所受應力從剪切應力轉變?yōu)槔鞈Φ倪^程中，同樣應力作用下產(chǎn)生的形變是逐漸減少的。以應力為0.2MPa 為例，當受力角度為90°（即拉伸應力）時，產(chǎn)生的形變?yōu)?0%；而當受力角度為0°時，產(chǎn)生的形變則超過60%。

因此，設計師在進行幕墻設計計算時，如果需要用到模量，需考慮到模量在不同受力角度下取值是不同的。如有必要，可以結合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進行指定角度的剪切性能測試，為結構密封膠的設計、應用提供參考。

3 結論

（1）在本文的試驗方案中，同一結構密封膠樣品，在受力角度不同時表現(xiàn)出的性能測試值不一樣：在0°角時的剪切強度和斷裂伸長率的數(shù)值均低于90°角時的數(shù)值；在45°角時剪切強度值最大，而斷裂伸長率值最??；在100%伸長率以內，隨著受力角度的增大，同一伸長率下的模量數(shù)值大體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

（2）在傾斜、曲面、雙曲面、扭曲或者其他設計復雜、板塊較大的新型玻璃幕墻中，建議選用強度高、性能有余量的產(chǎn)品。如有必要，也可以結合項目特點，根據(jù)實際的傾斜角度，進行指定角度的剪切性能測試，為結構密封膠的設計、應用提供參考，確保傾斜、曲面、雙曲面、扭曲等新型玻璃幕墻的安全性能。